黑洞的前身

天体物理学家让-皮埃尔·琉米爱尔写的《黑洞》

事件望远镜在10日发布了第一张黑洞照片\ AP

【原标题】最初的黑洞是什么时候存在的？或者宇宙起源的线索

黑洞可能是宇宙中最神秘的东西之一。它就像一个贪婪的胖子，有着巨大的体重，吞噬着任何经过它附近的东西，包括光。科学家认为，恒星级黑洞可能是大质量恒星在生命末期爆炸形成的。然而，小质量黑洞的碰撞和合并，以及较小质量黑洞对气体和尘埃的吞噬，会形成超大质量黑洞。

但你有没有想过，宇宙刚开始是空的空时，最早的黑洞是从哪里来的？这是科学家思考了半个多世纪的问题。他们一直困惑于在宇宙早期无法形成足够多的原始黑洞。

近日，发表在国际权威期刊《物理评论快报》上的一篇文章重新审视了原始黑洞的物理起源。本文指出，原始黑洞可能与宇宙暴胀时期的声速扰动密切相关。那么，最初的黑洞是从哪里来的呢？音速的扰动如何帮助它加速形成？

宇宙早期养的“大胖子”

最初的黑洞是什么？简而言之，就是早期宇宙中由于局部区域之间物质的密集分布而导致物质直接坍缩形成的黑洞空。它们的形成机制不同于正常情况下恒星坍缩形成的黑洞。可以想象，当时的宇宙和现在差不多空摇摆的状态大不相同。宇宙早期，温度极高，物质分布呈现非常密集的等离子体状态。最初的黑洞就是在这个时期形成的。打个通俗的比方，就像在一锅浓稠的热粥里撒一把黑芝麻。

由于原始黑洞诞生于宇宙原始时期，所以它们中的许多可能已经被霍金蒸发转化为辐射，在经历了漫长的热膨胀历史后消失了。然而，剩余的原始黑洞为我们理解宇宙提供了许多重要的启示。例如，初级黑洞被认为是暗物质的有效候选者，暗物质约占宇宙的四分之一。此外，原生黑洞恰好在现在的宇宙中，正在进行霍金蒸发，可以为伽玛射线暴提供合理的物理解释。

最近，一个新的学术观点认为，引力波激光干涉天文台(LIGO)自2015年以来捕捉到的一些黑洞引力波信号可能来自于原来两个黑洞的合并过程。天文学家一直在为捕捉这些“看不见的”低语而不懈努力，因为原始黑洞可以为宇宙学和天文实验观测提供丰富的科学目标。

物质凭空起伏

早在20世纪60年代，苏联物理学家雅科夫·泽尔多维奇和英国物理学家斯蒂芬·霍金就分别指出了在极早期宇宙中形成原始黑洞的理论可能性。这在后来的宇宙学研究中被广泛讨论。霍金指出，就在宇宙大爆炸产生后，局部致密区的物质可能会因自身引力而坍缩，从而形成最初的黑洞，在随后漫长的宇宙演化过程中，这种黑洞将继续影响宇宙的结构。

然而，这些局部致密的物质密度分布从何而来？为了回答这个问题，人们把目光转向了宇宙学的另一个重要课题。即宇宙在非常早期经历了怎样的物理起源和动力学演化？

目前，宇宙起源最主流的假说是美国宇宙学家阿兰·古斯在20世纪80年代提出的膨胀理论。他认为宇宙诞生后，迅速进入了一个接近指数形式的加速膨胀期。这使得宇宙大爆炸后约10-32秒内空之间的尺度拉伸了约1026倍。形象地说，这意味着在极短的时间内，氢原子直径的空之间的距离被放大到一光年左右的尺度。

根据量子理论，真空不是空，而是有随机的非常小的波动。它们发生和消失很快，波动幅度很小，所以在一段时间内没有意义。这叫真空量子涨落。在暴胀期间，宇宙中原本微小的真空量子涨落也会被拉伸，当其波长超过由宇宙膨胀速度决定的某一尺度时，就会成为物质密度的真实涨落。宇宙膨胀得越快，这个尺度就会越小。

由这一理论机制发展而来的宇宙学微扰理论预言了宇宙微波背景辐射的奇妙图景。1989年，人类发射了第一颗宇宙微波背景辐射卫星——宇宙背景探测器(COBE)，其公布的观测数据支持了这一理论。后来威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)和普朗克卫星的高精度实验数据都验证了这一点。

密度扰动加速黑洞形成。

而在基于标准宇宙模型的微扰理论中，初级黑洞的产生率极低，通常不足以带来预期的观测效果。另外，暴胀会稀释这期间产生的任何过度扰动，必须让一些大扰动存活下来，才能形成最初的黑洞。这给宇宙学和天文学对原始黑洞的探索蒙上了一层沉重的阴影。

为了解决这一问题，提高原生黑洞的生成率，中国科大研究团队提出了新的原生黑洞生成机制。他们指出，如果原始宇宙中存在以音速传播的物质密度的扰动，并发生周期性振荡，那么原始密度就会周期性叠加，增加原始黑洞出现的概率。这就好比，当一个孩子站在秋千上蹲下时，如果蹲下的频率是秋千摆动频率的偶数倍，秋千的摆动幅度就会相应增大。

这种动力学机制可以在目前天文观测的限度内有效地产生初级黑洞，其质量分布非常广泛。目前已经通过引力波等手段探测到不同质量的黑洞。但是它们的质量分布不是连续的。这是因为探测手段的限制，还是因为它们的质量分布就是这样？最新研究给出的答案是后者，黑洞不连续的质量分布会呈现出一些规律。这需要更多的观察来验证。

分析还表明，这种初级黑洞形成机制也可以为当前宇宙学观测中一定比例的暗物质成分提供重要的理论解释。随着天文学发展到多信使时代，原始黑洞的可验证性变得越来越可靠。

关于宇宙在非常早期的原始时期是如何诞生原始黑洞的，还有很多未解之谜。目前的研究为我们了解这种神秘的奇异黑洞提供了新的思路。随着天文观测技术和实验设备的快速发展，相信在不久的将来，我们将有机会一窥宇宙中非常早期天体的奥秘，比如原始黑洞。例如，中国计划中的12米光学望远镜和即将发射的詹姆斯·韦伯望远镜将能够深入探索宇宙的非常早期状态，并有望在寻找原始黑洞方面取得突破。目前备受关注的引力波天文学将为识别黑洞的引力波来源提供更为详细的信息，鉴别这些引力波信号是否来自原始黑洞。